JP2012058007A - アナログ信号のデジタル変換方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、負帰還制御ループ外に設けられていた減算器を排除し、負帰還制御ループ内に設けた加算器によって位相変調信号を得ることにより、カウンタから直接デジタル角度出力を得ることができると共に、減算器の異常検出をしなくても負帰還制御ループの異常検出によってカバーできるようにすることを目的とする。
【解決手段】本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法は、Ｒ／Ｄ信号変換部(3)に接続された励磁信号発生部(8)とカウンタ(7)との間に設けた加算器(20)により、カウンタ(7)からのデジタル角度出力(φ)と位相基準(ωＲt)とを加算し、前記加算器(20)で得られた位相変調信号(ωRt+φ)を励磁信号発生部(8)に入力し、カウンタ(7)からデジタル角度出力(φ)を直接出力する方法である。
【選択図】図１
【解決手段】本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法は、Ｒ／Ｄ信号変換部(3)に接続された励磁信号発生部(8)とカウンタ(7)との間に設けた加算器(20)により、カウンタ(7)からのデジタル角度出力(φ)と位相基準(ωＲt)とを加算し、前記加算器(20)で得られた位相変調信号(ωRt+φ)を励磁信号発生部(8)に入力し、カウンタ(7)からデジタル角度出力(φ)を直接出力する方法である。
【選択図】図１
Description
本発明は、アナログ信号のデジタル変換方法に関し、特に、負帰還制御ループ外に設けられていた減算器を排除し、負帰還制御ループ内に設けた加算器によって位相変調信号（ωＲｔ＋φ）を得ることにより、カウンタからデジタル角度出力φを直接出力し、減算器の異常検出をしなくても負帰還制御ループの異常検出によってカバーできるようにするための新規な改良に関する。
従来、用いられていたこの種のアナログ信号のデジタル変換方法としては、例えば、特許文献１に開示されているアナログ信号のデジタル変換方法を挙げることができる。
すなわち、図示していないが、レゾルバを含む閉ループの負帰還制御ループ外に減算器を設け、この減算器によって位相変調信号（ωＲｔ＋φ）から位相基準（ωＲｔ）を減算し、デジタル角度出力（φ）を出力させていた。
すなわち、図示していないが、レゾルバを含む閉ループの負帰還制御ループ外に減算器を設け、この減算器によって位相変調信号（ωＲｔ＋φ）から位相基準（ωＲｔ）を減算し、デジタル角度出力（φ）を出力させていた。
従来のアナログ信号のデジタル変換方法は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述の従来構成においては、負帰還制御ループの外に設けられた減算器によって、位相基準（ωＲｔ）分を減算してデジタル角度出力φを得るようにしていたため、負帰還制御ループが正常であっても、減算器が故障してしまうと正常な角度出力が得られないことになっていた。
従って、デジタル角度出力φの異常を検出する際には、負帰還制御ループの異常検出と、減算器自体の異常検出とを別々に行う必要があり、異常検出動作に時間及びコスト等を要していた。
すなわち、前述の従来構成においては、負帰還制御ループの外に設けられた減算器によって、位相基準（ωＲｔ）分を減算してデジタル角度出力φを得るようにしていたため、負帰還制御ループが正常であっても、減算器が故障してしまうと正常な角度出力が得られないことになっていた。
従って、デジタル角度出力φの異常を検出する際には、負帰還制御ループの異常検出と、減算器自体の異常検出とを別々に行う必要があり、異常検出動作に時間及びコスト等を要していた。
本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法は、レゾルバから出力され励磁成分を有して振幅変調された２相振幅変調信号(sinθ・sinωt，cosθ・sinωt)からなる２相正弦波信号をＲ／Ｄ信号変換部へ入力し、入力回転角度(θ)をデジタル角度出力(φ)に変換する場合、閉ループ内に前記レゾルバを含めた負帰還制御ループを用いて前記デジタル角度出力(φ)を得ると共に、前記２相正弦波信号を前記Ｒ／Ｄ信号変換部の少なくともアナログ乗算及びアナログ加減算を用いた信号変換により得られる制御偏差(ε)を用いたＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）方式の前記負帰還制御ループからの位相変調信号(ωＮｔ＋φ)を、前記レゾルバの励磁電源(sinωt)として帰還させるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法において、少なくとも前記Ｒ／Ｄ信号変換器部からの制御偏差(ε)が入力される同期検波部と、前記同期検波部に接続されるループ補償器と、前記ループ補償器に接続される電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器に接続されるカウンタと、前記Ｒ／Ｄ信号変換部に接続された第１擬似正弦波発生部に位相基準(ωRt)を入力するため発振部に接続された第１カウンタと、を有し、前記Ｒ／Ｄ信号変換部に接続された励磁信号発生部と前記カウンタとの間に設けた加算器により、前記カウンタからのデジタル角度出力(φ)と前記位相基準(ωRt)とを加算し、前記加算器で得られた前記位相変調信号(ωRt＋φ)を前記励磁信号発生部に入力し、前記カウンタから前記デジタル角度出力(φ)を直接出力する方法である。
本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法は、以上のように構成されていたため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、レゾルバから出力され励磁成分を有して振幅変調された２相振幅変調信号(sinθ・sinωt，cosθ・sinωt)からなる２相正弦波信号をＲ／Ｄ信号変換部へ入力し、入力回転角度(θ)をデジタル角度出力(φ)に変換する場合、閉ループ内に前記レゾルバを含めた負帰還制御ループを用いて前記デジタル角度出力(φ)を得ると共に、前記２相正弦波信号を前記Ｒ／Ｄ信号変換部の少なくともアナログ乗算及びアナログ加減算を用いた信号変換により得られる制御偏差(ε)を用いたＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）方式の前記負帰還制御ループからの位相変調信号(ωＮｔ＋φ)を、前記レゾルバの励磁電源(sinωt)として帰還させるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法において、少なくとも前記Ｒ／Ｄ信号変換器部からの制御偏差(ε)が入力される同期検波部と、前記同期検波部に接続されるループ補償器と、前記ループ補償器に接続される電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器に接続されるカウンタと、前記Ｒ／Ｄ信号変換部に接続された第１擬似正弦波発生部に位相基準(ωRt)を入力するため発振部に接続された第１カウンタと、を有し、前記Ｒ／Ｄ信号変換部に接続された励磁信号発生部と前記カウンタとの間に設けた加算器により、前記カウンタからのデジタル角度出力(φ)と前記位相基準(ωRt)とを加算し、前記加算器で得られた前記位相変調信号(ωRt＋φ)を前記励磁信号発生部に入力し、前記カウンタから前記デジタル角度出力(φ)を直接出力することにより、従来のように、減算器を用いることなく、カウンタから直接、デジタル角度出力を得ることができるため、従来のような減算器単体に対する異常検出をしなくても、負帰還制御ループの異常検出によって全体の異常の有無を容易に判別することができる。
すなわち、レゾルバから出力され励磁成分を有して振幅変調された２相振幅変調信号(sinθ・sinωt，cosθ・sinωt)からなる２相正弦波信号をＲ／Ｄ信号変換部へ入力し、入力回転角度(θ)をデジタル角度出力(φ)に変換する場合、閉ループ内に前記レゾルバを含めた負帰還制御ループを用いて前記デジタル角度出力(φ)を得ると共に、前記２相正弦波信号を前記Ｒ／Ｄ信号変換部の少なくともアナログ乗算及びアナログ加減算を用いた信号変換により得られる制御偏差(ε)を用いたＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）方式の前記負帰還制御ループからの位相変調信号(ωＮｔ＋φ)を、前記レゾルバの励磁電源(sinωt)として帰還させるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法において、少なくとも前記Ｒ／Ｄ信号変換器部からの制御偏差(ε)が入力される同期検波部と、前記同期検波部に接続されるループ補償器と、前記ループ補償器に接続される電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器に接続されるカウンタと、前記Ｒ／Ｄ信号変換部に接続された第１擬似正弦波発生部に位相基準(ωRt)を入力するため発振部に接続された第１カウンタと、を有し、前記Ｒ／Ｄ信号変換部に接続された励磁信号発生部と前記カウンタとの間に設けた加算器により、前記カウンタからのデジタル角度出力(φ)と前記位相基準(ωRt)とを加算し、前記加算器で得られた前記位相変調信号(ωRt＋φ)を前記励磁信号発生部に入力し、前記カウンタから前記デジタル角度出力(φ)を直接出力することにより、従来のように、減算器を用いることなく、カウンタから直接、デジタル角度出力を得ることができるため、従来のような減算器単体に対する異常検出をしなくても、負帰還制御ループの異常検出によって全体の異常の有無を容易に判別することができる。
本発明は、負帰還制御ループ外に設けられていた減算器を排除し、負帰還制御ループ内に設けた加算器によって位相変調信号(ωRt+φ)を得ることにより、カウンタからデジタル角度出力φを直接出力し、減算器の異常検出をしなくても負帰還制御ループの異常検出によってカバーできるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法を提供することを目的とする。
以下、図面と共に本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法の好適な実施の形態について説明する。
図１において、符号１で示されるものは入力回転角度θを検出する回転検出器としてのレゾルバであり、このレゾルバ１から得られる２相正弦波信号２としての第１、第２振幅変調信号ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ，ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ（すなわち励磁成分である励磁電源ｓｉｎωｔにより振幅変調されている）は、レゾルバ／デジタル変換を行うためのＲ／Ｄ信号変換部３に入力され、このＲ／Ｄ信号変換部３からの制御偏差（ε）ｓｉｎ（ωｔ−ωＲｔ−θ）・ｓｉｎωｔは、同期検波部４に入力され、その検波出力４ａはループ補償器５で閉ループを構成するための必要な値等の補償が行われた後に電圧制御発振器６に入力されている。
図１において、符号１で示されるものは入力回転角度θを検出する回転検出器としてのレゾルバであり、このレゾルバ１から得られる２相正弦波信号２としての第１、第２振幅変調信号ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ，ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ（すなわち励磁成分である励磁電源ｓｉｎωｔにより振幅変調されている）は、レゾルバ／デジタル変換を行うためのＲ／Ｄ信号変換部３に入力され、このＲ／Ｄ信号変換部３からの制御偏差（ε）ｓｉｎ（ωｔ−ωＲｔ−θ）・ｓｉｎωｔは、同期検波部４に入力され、その検波出力４ａはループ補償器５で閉ループを構成するための必要な値等の補償が行われた後に電圧制御発振器６に入力されている。
前記電圧制御発振器６からの出力６ａはカウンタ７でカウントされた後、このカウンタ７からの出力が位相変調信号ωＲｔ＋φとして励磁信号発生部８に入力され、この励磁信号発生部８からのｃｏｓωｔとｓｉｎωｔは前記Ｒ／Ｄ信号変換部３に入力され、前記ｓｉｎωｔは励磁信号増幅部９で増幅された後、励磁成分（キャリア）としての励磁電源ｓｉｎωｔとしてレゾルバ１の励磁巻線（図示せず）に入力されている。
従って、少なくとも前述のレゾルバ１、Ｒ／Ｄ信号変換部３、同期検波部４、ループ補償器５、電圧制御発振器６、カウンタ７、励磁信号発生部８及び励磁信号増幅部９により閉ループ方式の負帰還制御ループ１０を構成している。
前記負帰還制御ループ１０とは独立して設けられクロックを発生するための発振部１１からの発振出力１１ａは第１カウンタ１２でカウントされた後、位相基準ωＲｔとして擬似正弦波発生部１３に入力され、この擬似正弦波発生部13からの擬似正弦波ｓｉｎωＲｔ，ｃｏｓωＲｔが前記Ｒ／Ｄ信号変換部３へ入力されている。
また、前記位相基準ωＲｔは前記カウンタ７と励磁信号発生部８との間に設けられた加算器２０に入力され、前記カウンタ７からのデジタル角度出力φは前記加算器２０に入力されていることにより、この加算器２０から出力される位相変調信号ωＲｔ＋φが前記励磁信号発生部８に入力されている。
また、カウンタ７からのデジタル角度出力φは従来のように減算器を経由することなく、直接外部に出力されている。
また、前記位相基準ωＲｔは前記カウンタ７と励磁信号発生部８との間に設けられた加算器２０に入力され、前記カウンタ７からのデジタル角度出力φは前記加算器２０に入力されていることにより、この加算器２０から出力される位相変調信号ωＲｔ＋φが前記励磁信号発生部８に入力されている。
また、カウンタ７からのデジタル角度出力φは従来のように減算器を経由することなく、直接外部に出力されている。
前述の図１のブロック図の構成は、具体的には図２のように構成されており、Ｒ／Ｄ信号変換部３は、第１〜第６乗算器３０〜３５、第１、第２減算器４０，４１、加算器５０、第１擬似正弦波発生部１３及び励磁成分抽出部６０とから構成されている。尚、擬似正弦波発生部は、Pseudo Sinusoid Generator の略でＰＳＧとも称する。
前記カウンタ７は、第３、第２カウンタ７Ａ，７Ｂで構成され、前記励磁信号発生部８は第３、第２擬似正弦波発生部８Ａ，８Ｂで構成されている。
前記位相変調信号ωＲｔ＋φは、前記各加算器２０，２０を介して、前記各カウンタ７Ａ，７Ｂからの第２、第１位相変調信号ωｔ＝ωＲｔ＋φ・ωＴ＝ωＲｔ＋φ＋βよりなり、前記第３、第２擬似正弦波発生部８Ａ，８Ｂに入力され、第３擬似正弦波発生部８Ａからｓｉｎωｔ，ｃｏｓωｔがＲ／Ｄ信号変換部３へ入力されている。
前記位相変調信号ωＲｔ＋φは、前記各加算器２０，２０を介して、前記各カウンタ７Ａ，７Ｂからの第２、第１位相変調信号ωｔ＝ωＲｔ＋φ・ωＴ＝ωＲｔ＋φ＋βよりなり、前記第３、第２擬似正弦波発生部８Ａ，８Ｂに入力され、第３擬似正弦波発生部８Ａからｓｉｎωｔ，ｃｏｓωｔがＲ／Ｄ信号変換部３へ入力されている。
前記励磁電源ｓｉｎωｔは、コンパレータ７０を経てデジタル信号である位相角度出力ωｔ（＝ωＲｔ＋φ）が得られるように構成され、この位相角度出力ωｔは前記第３カウンタ７Ａにも入力されるように構成されている。
前記第３カウンタ７Ａからは、前述のように直接デジタル角度出力φが外部に出力されるように構成されている。
前記第３カウンタ７Ａからは、前述のように直接デジタル角度出力φが外部に出力されるように構成されている。
本発明における回転検出器に適合するレゾルバ１は、１相励磁／２相出力タイプの振幅変調方式ブラシレスレゾルバ（ＢＲＸ）であり、本来一定の周波数を有する励磁電源（ｓｉｎωｔ）が搬送波（キャリア）として入力され、機械的な入力回転角度θに応じて振幅変調された二つの出力である第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅偏重信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））を出力する。但し、αは回転検出器（レゾルバ）自体及びセンサケーブル等により生じる位相ズレ（位相遅れ）を示す。然るに、本発明においては、励磁電源（ｓｉｎωｔ）の位相（周波数）は一定ではなく、回転検出器（レゾルバ）の回転角度（速度）に応じて変化する。
本発明は、前記第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））をＲ／Ｄ信号変換部３に導入し、得られる制御偏差（ε）に基づいて、閉ループ内に回転検出器（レゾルバ）をも含めた負帰還制御ループ１０であるＰＬＬ（Phase Locked Loop）を構成し、回転角度（速度）の振幅情報を位相（周波数）情報に変換し、前記励磁電源（ｓｉｔωｔ）としてフィードバックする過程で生じる位相変調信号（ωＲｔ＋φ）より、デジタル角度出力φを得ることが可能となるアナログ信号のデジタル変換方法である。
本発明は、前記第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））をＲ／Ｄ信号変換部３に導入し、得られる制御偏差（ε）に基づいて、閉ループ内に回転検出器（レゾルバ）をも含めた負帰還制御ループ１０であるＰＬＬ（Phase Locked Loop）を構成し、回転角度（速度）の振幅情報を位相（周波数）情報に変換し、前記励磁電源（ｓｉｔωｔ）としてフィードバックする過程で生じる位相変調信号（ωＲｔ＋φ）より、デジタル角度出力φを得ることが可能となるアナログ信号のデジタル変換方法である。
次に、動作について述べる。
まず、回転検出器（レゾルバ）１出力である第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））は、第１〜第４乗算器３０〜３３に入力される。
第１乗算器３０において、第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と擬似正弦波発生部８Ａからの第３ＰＳＧ信号（ｓｉｎωｔ）とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
sinθ・sin(ωt-α)×sinωt＝sinθ・sin(ωt-α)・sinωt ・・・・(1)
同様に第２乗算器３１において、第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と第３ＰＳＧ信号（ｓｉｎωｔ）とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
cosθ・sin(ωt‐α)×sinωt＝cosθ・sin(ωt−α)・sinωt ・・・・(2)
同様に第３乗算器３２において、第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と第３ＰＳＧ信号(ｃｏｓωｔ)とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
sinθ・sin(ωt-α)×cosωt＝sinθ・sin(ωt-α)・cosωt ・・・・(3)
同様に第４乗算器３３において、第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と第３ＰＳＧ信号(ｃｏｓωｔ)とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
cosθ・sin(ωt‐α)×cosωt＝cosθ・sin(ωt-α)・cosωt ・・・・(4)
前記(1)式で示される第１乗算器３０出力と(4)式で示される第４乗算器３３出力は、加算器５０で加算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
(1)式＋(4)式＝sinθ・sin(ωt-α)・sinωt＋cosθ・sin(ωt-α)・cosωt
＝cos(ωt-θ) ・sin(ωt-α) ・・・・・(5)
まず、回転検出器（レゾルバ）１出力である第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））は、第１〜第４乗算器３０〜３３に入力される。
第１乗算器３０において、第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と擬似正弦波発生部８Ａからの第３ＰＳＧ信号（ｓｉｎωｔ）とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
sinθ・sin(ωt-α)×sinωt＝sinθ・sin(ωt-α)・sinωt ・・・・(1)
同様に第２乗算器３１において、第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と第３ＰＳＧ信号（ｓｉｎωｔ）とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
cosθ・sin(ωt‐α)×sinωt＝cosθ・sin(ωt−α)・sinωt ・・・・(2)
同様に第３乗算器３２において、第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と第３ＰＳＧ信号(ｃｏｓωｔ)とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
sinθ・sin(ωt-α)×cosωt＝sinθ・sin(ωt-α)・cosωt ・・・・(3)
同様に第４乗算器３３において、第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））と第３ＰＳＧ信号(ｃｏｓωｔ)とが乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
cosθ・sin(ωt‐α)×cosωt＝cosθ・sin(ωt-α)・cosωt ・・・・(4)
前記(1)式で示される第１乗算器３０出力と(4)式で示される第４乗算器３３出力は、加算器５０で加算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
(1)式＋(4)式＝sinθ・sin(ωt-α)・sinωt＋cosθ・sin(ωt-α)・cosωt
＝cos(ωt-θ) ・sin(ωt-α) ・・・・・(5)
前記(2)式で示される第２乗算器３１出力と(3)式で示される第３乗算器３２出力は、第１減算器４０で減算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
(2)式−(3)式＝cosθ・sin(ωt-α)・sinωt- sinθ・sin(ωt-α)・cosωt
＝sin(ωt-θ)・sin(ωt-α) ・・・・・(6)
さらに、(5)式で示される加算器５０出力は、第５乗算器３４で第１擬似正弦波発生部１３からの第１ＰＳＧ信号(ｓｉｎωRｔ)と乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
cos(ωt-θ)・sin(ωt-α)×sinωRt＝cos(ωt-θ)・sinωRt・sin(ωt-α) ・・(7)
同様に(6)式で示される第１減算器４０出力は、第６乗算器３５で第１擬似正弦波発生部１３からの第１ＰＳＧ信号(ｃｏｓωRｔ)と乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
sin(ωt-θ)・sin(ωt-α)×cosωRt＝sin(ωt-θ)・cosωRt・sin(ωt-α) ・・(8)
ここで、前記(8)式で示される第６乗算器３５出力は、第２減算器４１で(7)式で示される第５乗算器３４出力と減算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
(8)式‐(7)式＝sin(ωt-θ)・cosωRt・sin(ωt-α)- cos(ωt-θ)・sinωRt・
sin(ωt-α)＝sin(ωt-ωRt-θ)・sin(ωt-α) ・・・・(9)
以上の(1)式〜(9)式で示されるアナログ信号処理を経て、回転検出器(レゾルバ)１出力である第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））は、(9)式で示されるＲ／Ｄ変換制御系（ＰＬＬ）の制御偏差（ε）へと変換される。
本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法においては、周知のように、前記制御偏差（ε）が常に０（ゼロ）となるよう制御される。
(2)式−(3)式＝cosθ・sin(ωt-α)・sinωt- sinθ・sin(ωt-α)・cosωt
＝sin(ωt-θ)・sin(ωt-α) ・・・・・(6)
さらに、(5)式で示される加算器５０出力は、第５乗算器３４で第１擬似正弦波発生部１３からの第１ＰＳＧ信号(ｓｉｎωRｔ)と乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
cos(ωt-θ)・sin(ωt-α)×sinωRt＝cos(ωt-θ)・sinωRt・sin(ωt-α) ・・(7)
同様に(6)式で示される第１減算器４０出力は、第６乗算器３５で第１擬似正弦波発生部１３からの第１ＰＳＧ信号(ｃｏｓωRｔ)と乗算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
sin(ωt-θ)・sin(ωt-α)×cosωRt＝sin(ωt-θ)・cosωRt・sin(ωt-α) ・・(8)
ここで、前記(8)式で示される第６乗算器３５出力は、第２減算器４１で(7)式で示される第５乗算器３４出力と減算され、下式に示すアナログ演算が実行される。
(8)式‐(7)式＝sin(ωt-θ)・cosωRt・sin(ωt-α)- cos(ωt-θ)・sinωRt・
sin(ωt-α)＝sin(ωt-ωRt-θ)・sin(ωt-α) ・・・・(9)
以上の(1)式〜(9)式で示されるアナログ信号処理を経て、回転検出器(レゾルバ)１出力である第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））は、(9)式で示されるＲ／Ｄ変換制御系（ＰＬＬ）の制御偏差（ε）へと変換される。
本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法においては、周知のように、前記制御偏差（ε）が常に０（ゼロ）となるよう制御される。
前記(9)式で示される制御偏差(ε)ｓｉｎ（ωｔ−ωＲｔ−θ）・ｓｉｎωｔは同期検波部４へ導入され、励磁成分であるｓｉｎ（ωｔ−α）が絶対値化され、下式となる。
ε＝sin(ωt-ωＲt-θ)・｜sin(ωt-α)｜ ・・・・・・・(10)
前記同期検波部４へ入力される励磁成分抽出部６０からの一方の励磁位相基準（ωｔ−α）は、第１振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））及び第２振幅変調信号（ｃｏｓθ・ｓｉｎ（ωｔ−α））より励磁成分抽出部６０において励磁成分のみを抽出したものであり、従って同期検波部４における位相ズレ（同期ズレ）を回避することが可能となり、高精度なアナログ信号のデジタル変換（Ｒ／Ｄ変換）に寄与するものである。なお、(10)式で示される制御偏差（ε）は、次段の Loop Compensator としてのループ補償器５に導入され、等価的に下式に示す信号と見なすことができる。
ε＝sin(ωt-ωRt-θ) ・・・・・・・(11)
ここで、前述の如く、本発明によるＲ／Ｄ変換器の負帰還制御ループ１０（ＰＬＬ）は、(11)式で示される制御偏差（ε）が常に０（ゼロ）となるよう制御されるため、以下となる。
ε＝sin(ωt-ωRt-θ) ・・・・・・・(11)
ここで、前述の如く、本発明によるＲ／Ｄ変換器の負帰還制御ループ１０（ＰＬＬ）は、(11)式で示される制御偏差（ε）が常に０（ゼロ）となるよう制御されるため、以下となる。
ε＝sin(ωt-ωRt-θ)＝０∴ωｔ＝ωRt＋θ ・・・・・・(12)
次に、(11)式で示される制御偏差（ε）は、ＶＣＯ（電圧制御発振器６）にて入力電圧に応じたデジタルパルス列に変換され、次段の第２、第３カウンタ７Ｂ，７Ａに導入される。第２、第３カウンタ７Ｂ，７Ａにおいては、入力のデジタルパルス列を積分してパラレル信号に変換しており、その出力は加算器２０にて位相基準ωＲｔを加算することにより、各々第１位相変調信号（ωＴ＝ωＲｔ＋φ＋β）、第２位相変調信号（ωｔ＝ωＲｔ＋φ）となる。ここで、φは最終的に求めるデジタル角度出力であり、βは励磁信号増幅部等において発生する位相ズレ分に相当する。
次に、前記第１位相変調信号（ωＴ＝ωＲｔ＋φ＋β）はパラレルなデジタル信号であり、第２擬似正弦波発生部８Ｂを経てアナログ正弦波信号に変換された後、励磁信号増幅部９に導入され励磁電源（ｓｉｎωｔ）として回転検出器（レゾルバ）１を励磁しているが、これにより回転検出器（レゾルバ）1をも含めた大きい負帰還制御ループ（ＰＬＬ）
からなる負帰還制御ループ１０を構成することになる。なお、励磁信号増幅部９は、単なる電圧アンプでも良いが、回転検出器（レゾルバ）１の温度特性補償に効果の高い電流制御型アンプが有効である。但し、回転検出器（レゾルバ）１が基本的にはＬ（インダクタンス）負荷であるため、入出力の位相ズレを回避し難いものであり、第２擬似正弦波発生部８Ｂをも含めてこの位相ズレ（β）如何に吸収するかが、Ｒ／Ｄ変換上の精度向上に関するひとつの大きな鍵である。
からなる負帰還制御ループ１０を構成することになる。なお、励磁信号増幅部９は、単なる電圧アンプでも良いが、回転検出器（レゾルバ）１の温度特性補償に効果の高い電流制御型アンプが有効である。但し、回転検出器（レゾルバ）１が基本的にはＬ（インダクタンス）負荷であるため、入出力の位相ズレを回避し難いものであり、第２擬似正弦波発生部８Ｂをも含めてこの位相ズレ（β）如何に吸収するかが、Ｒ／Ｄ変換上の精度向上に関するひとつの大きな鍵である。
また、励磁電源（ｓｉｎωｔ）は回転検出器（レゾルバ）１を励磁する一方で、コンパレータ７０に導入されてデジタル化され、位相角度出力（ωｔ(＝ωＲｔ＋φ)）として出力されている一方、第３カウンタ７Ａの同期化に利用されており、これにより第３カウンタ７Ａの出力である第２位相変調信号（ωｔ＝ωＲｔ＋φ）は第１位相変調信号（ωｔ＝ωＲｔ＋φ＋β）が有する位相ズレ（β）を排除することが可能となっており、第３減算器２０により位相基準（ωＲｔ）を減算することで正確なデジタル角度出力（φ）を得ることが可能となる。
一方、第２位相変調信号（ωｔ＝ωＲｔ＋φ）は第３擬似正弦波発生部８Ａに導入されており、前記第１〜第４乗算器３０〜３３への第３ＰＳＧ信号（ｓｉｎωｔ）及び第３ＰＳＧ信号（ｃｏｓωｔ）として帰還されている。
一方、第２位相変調信号（ωｔ＝ωＲｔ＋φ）は第３擬似正弦波発生部８Ａに導入されており、前記第１〜第４乗算器３０〜３３への第３ＰＳＧ信号（ｓｉｎωｔ）及び第３ＰＳＧ信号（ｃｏｓωｔ）として帰還されている。
本発明のアナログ信号のデジタル変換（Ｒ／Ｄ変換）動作は、発振部１１で発振される基準クロックに基づいてシーケンシャルに実行されるものであり、各デジタル信号処理部
へ同期クロックとして提供されている一方、第１カウンタ１２においてパラレル変換され、時間経過とともにリニアに増加する位相基準（ωＲｔ）を提供している。この位相基準（ωＲｔ）は、前記位相角度出力（ωｔ(＝ωＲｔ＋φ)）のタイミング基準として出力されている一方、第１擬似正弦波発生部１３に導入されており、前記第５、第６乗算器３４，３５への第１ＰＳＧ信号（ｓｉｎωＲｔ）及び第１ＰＳＧ信号（ｃｏｓωＲｔ）として帰還されている。
へ同期クロックとして提供されている一方、第１カウンタ１２においてパラレル変換され、時間経過とともにリニアに増加する位相基準（ωＲｔ）を提供している。この位相基準（ωＲｔ）は、前記位相角度出力（ωｔ(＝ωＲｔ＋φ)）のタイミング基準として出力されている一方、第１擬似正弦波発生部１３に導入されており、前記第５、第６乗算器３４，３５への第１ＰＳＧ信号（ｓｉｎωＲｔ）及び第１ＰＳＧ信号（ｃｏｓωＲｔ）として帰還されている。
従って、前記励磁電源ｓｉｎωｔは、その位相成分に検出角度情報を含んでおり、外部にて抽出することにより、本発明により直接得られるデジタル角度出力（φ）と等価な出力を得ることができ、角度出力の冗長性を確保することができる。
また、励磁電源ｓｉｎωｔは、その位相成分に検出角度情報を含んでおり、回転検出器（レゾルバ）の回転速度は、励磁電源の位相変化（周波数）として得ることができる。
そのため、回転検出器（レゾルバ）１をも含めた負帰還制御ループ（ＰＬＬ）の制御周波数は、例えば回転検出器（レゾルバ）１の最高回転速度が±６０，０００rpmの場合、±１，０００Hzの周波数変化に相当し、励磁電源周波数を１０kHzとすれば±１０％の周波数変化を制御すれば良いこととなるため、閉ループ制御には好都合である。
また、励磁電源ｓｉｎωｔは、その位相成分に検出角度情報を含んでおり、回転検出器（レゾルバ）の回転速度は、励磁電源の位相変化（周波数）として得ることができる。
そのため、回転検出器（レゾルバ）１をも含めた負帰還制御ループ（ＰＬＬ）の制御周波数は、例えば回転検出器（レゾルバ）１の最高回転速度が±６０，０００rpmの場合、±１，０００Hzの周波数変化に相当し、励磁電源周波数を１０kHzとすれば±１０％の周波数変化を制御すれば良いこととなるため、閉ループ制御には好都合である。
さらに、前述の動作をまとめると、次の通りである。
レゾルバ1から出力され励磁成分を有して振幅変調された２相振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ，ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）からなる２相正弦波信号をＲ／Ｄ信号変換部へ入力し、入力回転角度（θ）をデジタル角度出力（φ）に変換する場合、閉ループ内に前記レゾルバ１を含めた負帰還制御ループ１０を用いて前記デジタル角度出力（φ）を得ると共に、前記２相正弦波信号２を前記Ｒ／Ｄ信号変換部３の少なくともアナログ乗算及びアナログ加減算を用いた信号変換により得られる制御偏差（ε）を用いたＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）方式の前記負帰還制御ループ１０からの位相変調信号(ωＲｔ＋φ)を、前記レゾルバ１の励磁電源（ｓｉｎωｔ）として帰還させるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法において、少なくとも、前記Ｒ／Ｄ信号変換部３からの制御偏差（ε）が入力される同期検波部４と、前記同期検波部４に接続されるループ補償器５と、前記ループ補償器５に接続される電圧制御発振器６と、前記電圧制御発振器６に接続されるカウンタ７と、前記Ｒ／Ｄ信号変換部３に接続された第１擬似正弦波発生部１３に位相基準（ωＲｔ）を入力するため発振部１１に接続された第１カウンタ１２と、を有し、前記Ｒ／Ｄ信号変換部３に接続された励磁信号発生部８と前記カウンタ７との間に設けた加算器２０により、前記カウンタ２０からのデジタル角度出力φと位相基準ωＲｔとを加算し、前記加算器２０で得られた前記位相変調信号ωＲｔ＋φを前記励磁信号発生部８に入力し、前記カウンタ７から前記デジタル角度出力φを直接出力する方法である。
レゾルバ1から出力され励磁成分を有して振幅変調された２相振幅変調信号（ｓｉｎθ・ｓｉｎωｔ，ｃｏｓθ・ｓｉｎωｔ）からなる２相正弦波信号をＲ／Ｄ信号変換部へ入力し、入力回転角度（θ）をデジタル角度出力（φ）に変換する場合、閉ループ内に前記レゾルバ１を含めた負帰還制御ループ１０を用いて前記デジタル角度出力（φ）を得ると共に、前記２相正弦波信号２を前記Ｒ／Ｄ信号変換部３の少なくともアナログ乗算及びアナログ加減算を用いた信号変換により得られる制御偏差（ε）を用いたＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）方式の前記負帰還制御ループ１０からの位相変調信号(ωＲｔ＋φ)を、前記レゾルバ１の励磁電源（ｓｉｎωｔ）として帰還させるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法において、少なくとも、前記Ｒ／Ｄ信号変換部３からの制御偏差（ε）が入力される同期検波部４と、前記同期検波部４に接続されるループ補償器５と、前記ループ補償器５に接続される電圧制御発振器６と、前記電圧制御発振器６に接続されるカウンタ７と、前記Ｒ／Ｄ信号変換部３に接続された第１擬似正弦波発生部１３に位相基準（ωＲｔ）を入力するため発振部１１に接続された第１カウンタ１２と、を有し、前記Ｒ／Ｄ信号変換部３に接続された励磁信号発生部８と前記カウンタ７との間に設けた加算器２０により、前記カウンタ２０からのデジタル角度出力φと位相基準ωＲｔとを加算し、前記加算器２０で得られた前記位相変調信号ωＲｔ＋φを前記励磁信号発生部８に入力し、前記カウンタ７から前記デジタル角度出力φを直接出力する方法である。
本発明によるアナログ信号のデジタル変換方法は、レゾルバ、シンクロ等のアナログ信号の回転信号をデジタル化する全ての分野に適用できる。
１ レゾルバ
２ ２相正弦波信号
３ Ｒ／Ｄ信号変換部
５ ループ補償器
６ 電圧制御発振器
７ カウンタ
１０ 負帰還制御ループ
１３，８Ａ，８Ｂ 擬似正弦波発生装置
（sinθ・sinωt，cosθ・sinωt） ２相振幅変調信号
（θ） 入力回転角度
（φ） デジタル角度出力
（ε） 制御偏差
（ωＲｔ＋φ） 位相変調信号
（sinωt） 励磁電源
（ωRt） 位相基準
（ωt） 位相角度出力
２ ２相正弦波信号
３ Ｒ／Ｄ信号変換部
５ ループ補償器
６ 電圧制御発振器
７ カウンタ
１０ 負帰還制御ループ
１３，８Ａ，８Ｂ 擬似正弦波発生装置
（sinθ・sinωt，cosθ・sinωt） ２相振幅変調信号
（θ） 入力回転角度
（φ） デジタル角度出力
（ε） 制御偏差
（ωＲｔ＋φ） 位相変調信号
（sinωt） 励磁電源
（ωRt） 位相基準
（ωt） 位相角度出力
Claims (1)
- レゾルバ(1)から出力され励磁成分を有して振幅変調された２相振幅変調信号(sinθ・sinωt,cosθ・sinωt)からなる２相正弦波信号(2)をＲ／Ｄ信号変換部(3)へ入力し、入力回転角度(θ)をデジタル角度出力(φ)に変換する場合、閉ループ内に前記レゾルバ(1)を含めた負帰還制御ループ(10)を用いて前記デジタル角度出力(φ)を得ると共に、前記２相正弦波信号(2)を前記Ｒ／Ｄ信号変換部(3)の少なくともアナログ乗算及びアナログ加減算を用いた信号変換により得られる制御偏差(ε)を用いたＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）方式の前記負帰還制御ループ(10)からの位相変調信号(ωＮｔ＋φ)を、前記レゾルバ(1)の励磁電源(sinωt)として帰還させるようにしたアナログ信号のデジタル変換方法において、
少なくとも前記Ｒ／Ｄ信号変換部(3)からの制御偏差(ε)が入力される同期検波部(4)と、前記同期検波部(4)に接続されるループ補償器(5)と、前記ループ補償器(5)に接続される電圧制御発振器(6)と、前記電圧制御発振器(6)に接続されるカウンタ(7)と、前記Ｒ／Ｄ信号変換部(3)に接続された第１擬似正弦波発生部(13)に位相基準(ωRt)を入力するため発振部(11)に接続された第１カウンタ(12)と、を有し、前記Ｒ／Ｄ信号変換部(3)に接続された励磁信号発生部(8)と前記カウンタ(7)との間に設けた加算器(20)により、前記カウンタ(7)からのデジタル角度出力(φ)と前記位相基準(ωRt)とを加算し、前記加算器(20)で得られた前記位相変調信号(ωRt＋φ)を前記励磁信号発生部(8)に入力し、前記カウンタ(7)から前記デジタル角度出力(φ)を直接出力することを特徴とするアナログ信号のデジタル変換方法。
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| JP2010199759A JP2012058007A (ja) | 2010-09-07 | 2010-09-07 | アナログ信号のデジタル変換方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018109596A (ja) * | 2017-01-06 | 2018-07-12 | 多摩川精機株式会社 | アナログ信号をディジタル信号に変換する方法 |
| CN109751174A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-05-14 | 国家电网有限公司 | 一种水轮机单导叶接力器检测系统 |
| KR102051820B1 (ko) | 2018-07-17 | 2019-12-04 | 국방과학연구소 | 비동기 리졸버 회전각 검출기 및 이의 방법 |
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| JP2006017659A (ja) * | 2004-07-05 | 2006-01-19 | Tamagawa Seiki Co Ltd | アナログ信号のデジタル変換方法 |
-
2010
- 2010-09-07 JP JP2010199759A patent/JP2012058007A/ja active Pending
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